浅谈线控制动的发展趋势

作者:李勇 陈芳芳 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2017-05-31
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现代汽车的马力越来越大,速度也越来越快,一套高效的制动系统越来越不可或缺。汽车的制动系统由早期的机械鼓式制动演化到了现在的液压(或气压)盘式制动,体积缩小了,重量减轻了,性能却有了大幅提高。前不久,一汽大众与亚太股份宣布合作开发能够执行自动驾驶功能的线控制动系统,为什么双方要为自动驾驶汽车单独研发一套新的制动系统?

近些年线控技术在汽车上的应用越来越多,如电子节气门、电子变速器档把,还有英菲尼迪Q50搭载的线控转向系统(见图1)。线控技术对汽车工业来说还是非常新颖的,但在飞机上的应用已经超过了52年。

飞机上的线控技术叫做线传飞控(Fly-by-Wire),当飞行员通过操纵装置让飞机转向时,操纵装置和负责转向的翼面之间并没有任何机械连接,操纵装置的动作会转化成电子或光学信号被传达给机载电脑,机载电脑对信号分析处理后,会对伺服系统(一般为液压系统)下达转向的命令,伺服系统直接控制翼面完成转向的动作。整个过程中人只是下达了转向的命令信号,转向是由机载电脑控制的伺服系统执行的。这就是线传飞控的基本过程,现实中要考虑安全性和可靠性,整个过程会复杂很多,在汽车上的应用亦是如此。

线控制动(BBW,Brake-by-Wire)由实现的难易程度分成了两条技术路线:EHB(Electric Hydraulic Brake,液压式线控制动)和EMB(Electric Mechanical Brake,机械式线控制动)(见图2)。

EHB:实现制动的灵活性

图1  英菲尼迪Q50L搭载了线控转向系统

EHB以传统的液压制动系统为基础,用电子器件取代了一部分机械部件的功能。与飞机的系统类似,制动踏板和制动缸没有任何机械连接,汽车驾驶员的制动动作被踏板上的传感器感转化成电子信号,电子控制单元接受到信号后,命令液压执行机构完成制动的操作。EHB能根据路面的附着情况和转速为每个车轮分配最合理的制动力度,从而可以更充分地利用车轮和地面之间的摩擦力,使制动距离更短,制动过程更安全。

2001~2002年,博世生产的EHB被奔驰的SL跑车和E级所采用,这是最早使用这种制动系统的两款汽车。今天应用EHB的只有F1赛车了——从2014开始为了更好地回收动能,F1赛车的后制动系统普遍换上了EHB。

EHB的优点:

1. 传统的制动系统在长期使用后,由于各部件的磨损和变形,会导致制动性能的衰退。而EHB会利用算法弥补部件的磨损和变形,使制动性能长期处于良好状态。

2. EHB可以根据各个车轮的转速和附着力为其分配最恰当的制动力度,这就做到了制动的高度灵活性和高
效性。

3. EHB不但能够提供高效的常规制动功能,还能发挥包括ABS在内的更多辅助功能。
现代的汽车电子化程度越来越高,新能源汽车的发展又进一步加快了这种趋势。由于EHB以液压为制动能量源,液压的产生和电控化相对来说比较困难,不容易做到和其他电控系统的整合;而且液压系统的重量对轻量化不利。在汽车越来越像电子产品的今天,EHB的优点并没有远远盖过它的缺点,所以,EHB的大面积普及并不被看好。

EMB将成为主流

未来可能成为主流制动系统的是EMB。与EHB以液压为制动能量源不同的是,EMB的运行只需要电能,所以它与之前所有的制动系统有着质的不同。EMB的控制和执行机构需要从零开始设计研发,它的执行机构的基本工作原理是把电动机的转动转化成制动片的平动,同时视不同的车速输出不同的力度,并能够自动对长期工作产生的制动间隙进行补偿。执行机构的体积要设计的尽可能小巧紧凑,以便于布置;对电动机的转速和转角要做到非常精确的控制,在提供最大制动力的同时又不至于抱死。不过现在EMB的实际应用非常少,已经成熟的应用就只有F-15战斗机的制动系统了。

图2  线控转向技术原理

EMB从执行机构的差别上可以分成两类,第一类是电动机驱动执行机构然后作用到制动盘上;第二类是在前者的基础上增加一个自增力机构。第一类的典型代表是Continental Teves公司研发的制动器,German Aerospace Center的E-Brake属于后者。两类EMB各有优缺点,前者结构和控制都比较简单,制动过程更稳定;但由于电动机提供全部的制动推力,要求电动机必须输出很大的功率,这就造成了电动机体积、质量、能耗都比较大。后者由于增加了自增力机构,可以利用汽车的动能增加制动力度,所以驱动电动机的功率可以大幅降低,其能耗比前者减少83%,体积和质量也比前者小;不过由于多了自增力机构,制动控制的难度变大,制动稳定性也变差了。

由于EMB完全实现了电子化,可以很容易地与汽车的其他电控系统整合到一起,能够发挥更多重的功能:制动、ABS、EBD、ESP、自动驾驶、优化能量回收等。基于上述种种优点, EMB技术肯定会得到大力的发展,未来会向液压制动系统发起强有力的挑战。

虽然EMB在原理和功能上有着非常突出的优势,符合电子化的潮流,前景一片看好。但在投入应用之前还有很多棘手的问题需要解决:

(1) 如果电路出现短路、断路,或者电源出现问题,制动系统怎样继续发挥功能?制动踏板模拟器不能正常工作又该如何处置?因此需要在系统的可靠性上着重加强,还要设置意外情况下的保险功能。

(2) 制动系统在长时间或高强度工作时会产生高温,所以关键部件的抗高温性能和散热性能非常重要。

(3) EMB需要用非常精密的电子电路才能运行,但又要面对外部的各种电磁场和地球磁场,这就需要电子电路有很强的抗干扰能力。

(4) 执行制动动作的电动机会消耗不少的电能,目前的12 V车载电源可能无法胜任,未来需要成熟可靠的42 V电源来保证系统的能源供应。

(5) 由于EMB是全新的技术,又需要大量传感器和控制芯片的支持,导致成本比现在主流制动系统高,因此降低成本增强竞争力是EMB能否走向市场的决定因素。

结语

线控制动中的EHB在技术上已经相当成熟,在F1赛车上的应用也非常成功,但以液压为能量源使它在自动驾驶的潮流中处于不利的地位。而实现完全电子化的EMB能很好地满足自动驾驶的需求,所以看来大众为自动驾驶单独研发的新制动系统很可能就是EMB。

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